PLC通信技術(shù)在起重機(jī)械大車防撞中的應(yīng)用

夏杰

摘 要：本文針對(duì)目前我公司起重機(jī)械在大車防撞方面所存在的問題，以PLC及編碼器為依據(jù)，設(shè)計(jì)了一套大車防撞程序分別應(yīng)用于岸橋和軌道吊上，取得了良好的效果。此應(yīng)用增強(qiáng)了設(shè)備的安全性能，保證了公司安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。本文為港口起重機(jī)械安全保護(hù)方面提供了借鑒，其他港口由此可引出更多新的思路。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；大車防撞；PLC通信；編碼器；精確控制

中圖分類號(hào)：TH215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.概述

大型起重機(jī)械是港口生產(chǎn)的主力軍，保障這些設(shè)備的安全使用是我們技術(shù)人員的第一要?jiǎng)?wù)。我公司現(xiàn)擁有多臺(tái)軌道式龍門吊，設(shè)備之間主要采用光電傳感器及機(jī)械限位來進(jìn)行保護(hù)。其中減速方面采用反光板型光電開關(guān)。它把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，以紅外光為載波，利用光的反射原理，采用相位式脈沖測(cè)距法完成光電控制。但這種傳感器具有較多限制：

（1）氣象條件對(duì)光電測(cè)距影響較大，大霧或大雨天氣光電開關(guān)動(dòng)作不靈敏。

（2）易受反光鏡或其他強(qiáng)光源等背景的干擾，導(dǎo)致誤動(dòng)作。

（3）抗震干擾性差，起重機(jī)作業(yè)時(shí)的震動(dòng)易導(dǎo)致紅外線射偏或無法接受反射光。

（4）需嚴(yán)防陽光及其他強(qiáng)光直射接收物鏡，避免光線經(jīng)鏡頭聚焦進(jìn)入機(jī)內(nèi)，將部分元件燒壞。

停止方面設(shè)備采用機(jī)械搖臂限位來實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的防撞保護(hù)。這種限位開關(guān)主要是有一個(gè)擋塊壓住限位開關(guān)的觸頭，一旦限位動(dòng)作開關(guān)觸頭分開，它一般都用在一個(gè)運(yùn)動(dòng)物件兩個(gè)極端的位置。這種開關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以故障率比較低，使用環(huán)境要求不高，但由于其工作原理也決定了它存在以下的一些缺點(diǎn)：

由于是機(jī)械動(dòng)作，因此會(huì)出現(xiàn)機(jī)械抖動(dòng)，存在誤動(dòng)作的可能。

（2）限位開關(guān)工作方式為機(jī)械接觸式，所以需要相應(yīng)擋塊配合，時(shí)間長(zhǎng)了若擋塊契合度不夠或搖臂等機(jī)械結(jié)構(gòu)卡死，限位就失去了功能，有安全隱患。

（3）由于限位需要接觸才能動(dòng)作，導(dǎo)致限位動(dòng)作時(shí)，設(shè)備本身已經(jīng)非常接近（通常距離只有15cm），若減速功能損壞，設(shè)備全速接近時(shí)，即使限位開關(guān)動(dòng)作緊急制動(dòng)，也無法避免設(shè)備相撞。

基于以上種種原因，我利用碼頭現(xiàn)有的條件，研究出了一套起重機(jī)大車防撞保護(hù)方案。此方案利用PLC和編碼器的特性，用PLC將每臺(tái)設(shè)備連入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，通過比較彼此設(shè)備編碼器的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)起重機(jī)減速和停止的保護(hù)。

2.方案設(shè)計(jì)

此方案利用PLC之間太網(wǎng)通信的功能，在地面控制中心設(shè)置一個(gè)PLC總站與所有起重機(jī)的PLC主站相連。讀取所有起重機(jī)PLC內(nèi)的大車編碼器數(shù)值，然后在總站PLC內(nèi)計(jì)算處理，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果向相應(yīng)的設(shè)備發(fā)送指令，設(shè)備PLC利用該指令來判斷自身是否需要減速及停止。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

在硬件選擇方面，基于岸橋和軌道吊所使用的PLC型號(hào)，我們首先考慮了西門子S7-300系列PLC。此系列屬于中型機(jī)，其CPU作為數(shù)據(jù)計(jì)算、程序處理方面性能已經(jīng)夠用，但是它只能鏈接32個(gè)從站。出于將來設(shè)備擴(kuò)展以及通信質(zhì)量方面的考慮，我們選擇了更高性能的S7-400系列PLC，它能鏈接64個(gè)從站，而且處理速度、通信質(zhì)量等方面均強(qiáng)于前者。最終我們選擇了CPU 416-2，同時(shí)還配套了相應(yīng)的電源模塊PS 407 4A和以太網(wǎng)通信模塊CP 443-1。每臺(tái)起重機(jī)PLC均配有一個(gè)相應(yīng)型號(hào)的以太網(wǎng)模塊，PLC之間采用以太網(wǎng)方式建立通信。由于設(shè)備距離地面PLC站較遠(yuǎn)，所以采用光纜傳輸，來盡量避免數(shù)據(jù)的延遲。連接好硬件線路后，接下來就是地面PLC的組態(tài)及程序編寫工作。組態(tài)后，PLC總站作為主站，其他設(shè)備PLC作為從站共同編制入一個(gè)局域網(wǎng)中，每臺(tái)PLC分配一個(gè)固定的IP地址，主站與從站之間可以自由通信。

3.方案實(shí)施

由于設(shè)備本身自帶編碼器和以太網(wǎng)模塊，所以硬件方面的工作較為簡(jiǎn)單，只需將地面PLC總站的各硬件安裝完成，并與設(shè)備共同接入高速以太網(wǎng)交換機(jī)即可。線路連接完成后在軟件端配置PLC總站，打開西門子軟件STEP7，新建項(xiàng)目后在Hardware界面一一填入對(duì)應(yīng)機(jī)架號(hào)的PLC模塊，填好后雙擊打開CP443-1，填入本站的IP地址10.169.115.250，子網(wǎng)掩碼255.255.255.0和網(wǎng)關(guān)10.169.115.254，填好后編譯保存完成硬件配置。按照以上同樣的方法在每臺(tái)設(shè)備的硬件組態(tài)界面打開CP模塊，填入各自對(duì)應(yīng)的IP地址。規(guī)定1#軌道吊IP地址為10.169.115.51，之后每臺(tái)設(shè)備占用連續(xù)的兩個(gè)IP地址，依次排列。至此PLC各站點(diǎn)的以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)完成，通信建立，接下來就是編寫程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

Profinet模式下的S7通信（S7-400）有SFB14和SFB15兩個(gè)系統(tǒng)單邊通信功能塊，他們分別是GET（從其他CPU獲得數(shù)據(jù)）和PUT（送給其他CPU數(shù)據(jù)）。我們?cè)谥髡局惺褂肧FB14 GET從其他站CPU中采集數(shù)據(jù)，其中EN為使能端，REQ為通信頻率的設(shè)置，ID為從站ID號(hào)，ADDR為被讀取站地址，RD為獲取數(shù)據(jù)的保存位置，NDR為功能塊運(yùn)行狀態(tài)位。一個(gè)功能塊能同時(shí)傳送4個(gè)DB塊數(shù)據(jù)，功能十分強(qiáng)大，每次采集的新數(shù)據(jù)直接覆蓋老數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^設(shè)置REQ來設(shè)置數(shù)據(jù)采集的頻率。

以1#、2#軌道掉為例，通過測(cè)試得出頻率設(shè)置為5Hz比較合適，即0.2s采集一次數(shù)據(jù)，主站將從站DB95.DBX0.0為起點(diǎn)讀取該DB塊共64 BYTE的數(shù)據(jù)存入主站DB100中。主站CPU為每臺(tái)設(shè)備都新建了一個(gè)DB塊，用同樣的方法依次將我們所需數(shù)據(jù)存入各設(shè)備對(duì)應(yīng)的DB塊中。通過以上方法得到我們想要的起重機(jī)的大車位置后，我們就可以使用它們來計(jì)算出相鄰兩臺(tái)設(shè)備間的距離，從而根據(jù)距離來控制兩臺(tái)設(shè)備的減速與停止。圖2為起重機(jī)的減速停止控制程序。

同樣我們以軌道吊為例，由于軌道吊編碼器安裝于設(shè)備中間位置，而一臺(tái)軌道掉的長(zhǎng)度為17m，所以我們將相鄰軌道吊的大車位置相減后再減去17m得到兩臺(tái)軌道掉防撞緩沖器之間的距離。然后通過CMP比較指令即可得到兩機(jī)的防撞保護(hù)命令，我們這里設(shè)置的是減速30m，停止25m。當(dāng)條件滿足時(shí)，有兩個(gè)線圈得電，分別為兩臺(tái)機(jī)的保護(hù)命令。命令發(fā)送方面主站PLC采用SFB15 PUT功能將減速、停止命令發(fā)送到對(duì)應(yīng)的1#、2#軌道吊PLC中參與到程序的保護(hù)控制，最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的防撞功能。

最后考慮到其他因素的影響，如：通信斷、控制命令誤動(dòng)作等意外發(fā)生，我們還設(shè)置了一段通信檢測(cè)程序。程序中主站向每個(gè)從站發(fā)送一個(gè)CPU時(shí)鐘脈沖，從站通過檢測(cè)這個(gè)時(shí)鐘脈沖是否在規(guī)定的周期內(nèi)閉合和斷開，來檢測(cè)該從站是否與主站失去連接。如果檢測(cè)到通信斷開，從站程序會(huì)立即做出報(bào)出相應(yīng)的故障，提醒司機(jī)通知維修人員前來修理。

結(jié)語

該功能應(yīng)用后，解放了地面的監(jiān)督人員，實(shí)現(xiàn)了無人監(jiān)管，節(jié)省了一部分的人力，變相地提高了工作效率。同時(shí)得益于PLC的高度可靠性和程序內(nèi)的通信檢測(cè)機(jī)制，使得系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)大車減速防撞的精確控制，安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以前的光電開關(guān)和機(jī)械限位。另一方面此方案的設(shè)計(jì)思想，為其他技術(shù)人員帶來全新的借鑒思路。通過此方法將原來各自之間毫無交集的起重機(jī)納入同一個(gè)局域網(wǎng)中，彼此之間可通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為起重機(jī)智能控制帶來了無限可能。

參考文獻(xiàn)

[1]廖常初.通信PLC編程及應(yīng)用通信第3版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.